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De l'optique non linéaire contre le cancer grâce au laser

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En utilisant la technique de la génération de seconde harmonique en optique non linéaire avec des lasers, il est possible d'étendre le champ d'application de la thérapie photodynamique contre le cancer. On peut désormais traiter de cette façon des tumeurs dans des tissus plus en profondeur sous la peau.

Sur cette image en fausses couleurs prises avec un microscope, les cellules cancéreuses vivantes (en vert) entourent des cellules cancéreuses mortes (en rouge) à la suite de l'irradiation au laser dans le carré blanc. C’est une illustration de l'efficacité de la thérapie photodynamique. © Université de Buffalo, 2014

Le 16 mai 1960, lorsque l'États-Unien Theodor Maiman a fait fonctionner le premier laser optique il était sans doute très loin de se douter de la versatilité de son invention. Il en était de même pour Albert Einstein lorsqu'il a découvert en 1917 le principe de l'émission stimulée de la lumière à la base de l'effet laser. Il luttait alors pour mieux comprendre les rapports entre la théorie quantique du corps noir et celle des spectres des atomes. Les lasers sont depuis devenus des outils puissants dans bon nombre de recherches en physique, et ils ont un impact grandissant sur notre technologie et même la vie de tous les jours. On peut se servir des lasers pour mesurer l'écartement des plaques tectoniques, comme cela a été fait dans la dépression de l’Afar, ou pour partir à la chasse aux ondes gravitationnelles prédites par la théorie de la relativité générale, comme on s'apprête à le faire avec eLisa.

Les lasers sont aussi utilisés pour faire de l'impression 3D, et même pour lutter contre le cancer. Une publication récente dans Nature Photonics par un groupe de chercheurs de l'université de Buffalo (État de New York, États-Unis) montre que les sources laser utilisées depuis des décennies pour faire de la thérapie photodynamique ou PDT (photodynamic therapy en anglais) ont un potentiel plus vaste que de fournir un traitement contre les mélanomes ou d'autres tumeurs superficielles.

Ce schéma indique la profondeur de pénétration dans la peau des ondes lumineuses. On voit qu'il faut aller dans le proche infrarouge, au-delà des longueurs d'onde de 0,7 micromètre, pour traiter des tumeurs sous la peau avec la PDT.

Ce schéma indique la profondeur de pénétration dans la peau des ondes lumineuses. On voit qu'il faut aller dans le proche infrarouge, au-delà des longueurs d'onde de 0,7 micromètre, pour traiter des tumeurs sous la peau avec la PDT. © ULg

Rappelons que le principe de la PDT consiste à faire absorber sélectivement par des cellules cancéreuses un agent photosensibilisant. On éclaire ensuite la tumeur que l'on veut détruire avec une source lumineuse, par exemple à l'aide d'une fibre optique lorsqu'on travaille par fibroscopie. Sous l'action de cette lumière, l'agent photosensibilisant va réagir avec de l'oxygène pour libérer des radicaux libres qui vont tuer les cellules cancéreuses.

Laser, optique non linéaire et protéines

Cette technique a cependant des limites, car la lumière visible ne pénètre pas en profondeur dans les tissus. On peut tenter d'utiliser de la lumière dans le proche infrarouge pour contourner ce problème : en effet, elle pénètre plus en profondeur. Mais les agents photosensibilisants connus sont alors moins efficaces et libèrent moins de radicaux libres. On travaille bien sûr à la mise au point d'autres molécules n'ayant pas ces limites, mais leur synthèse reste difficile. Les membres de l'Institute for Lasers, Photonics and Biophotonics (ILPB) de l'université de Buffalo ont exploré une autre voie. Ils ont mis en pratique une technique bien connue de l'optique non linéaire, la génération de seconde harmonique (GSH, ou encore doublage de fréquence).

La GSH fonctionne très bien avec une protéine naturelle, le collagène, lorsqu'on la soumet à des faisceaux laser dans le proche infrarouge. Comme son nom le laisse deviner, la GSH permet de produire une onde lumineuse avec une fréquence deux fois plus élevée (et donc une longueur d'onde deux fois plus courte) à partir d'une onde d'une fréquence donnée. Un faisceau laser dans l'infrarouge proche (0,7 μm à 1,6 μm) peut donc être transformé en une lumière laser dans le visible (0,4 μm à 0,7 μm). Il est possible d'utiliser aussi d'autres protéines naturelles et des lipides dans les cellules pour faire de la PDT grâce à nouveau à un effet d'optique non linéaire appelé mélange à quatre ondes. Il consiste en une intermodulation entre trois ondes électromagnétiques qui en génèrent ou amplifient une quatrième. À nouveau, on obtient de la lumière visible en profondeur dans les tissus à partir de la lumière infrarouge.

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